压力控制应用

降低（有时维持）蒸汽压力有许多充分的理由。本教程详细介绍了直接操作、先导操作、气动、电动和电气压力控制系统的常见应用，包括每种不同控制方法的优缺点。

直接操作自作用减压阀 — 波纹管式

说明在此类自作用压力控制器中，下游（控制）压力通过波纹管与弹簧力平衡。 优点：

价格低廉。
体积小。
安装方便。
非常坚固，使用寿命长且维护最少。
对不完美的蒸汽条件具有容忍性。
自作用原理意味着无需外部动力。 缺点：
仅比例控制。
比例带为上游压力的 30% 至 40%。
宽比例带意味着只有在下游压力大幅下降时才能达到最大流量。这意味着减压后的压力将随流量变化而变化。
尺寸受限。
流量受限。
上游压力变化将导致下游压力变化。 应用： 非关键、中等负荷、恒定运行流量的应用，例如：
小型夹套锅。
伴热管线。
熨烫机。
小型储罐。
酸洗槽。
小型储水式加热器。
单元加热器。
小型加热器组。
OEM 设备。 注意事项：

有蒸汽、压缩空气和水的不同版本。
可能有软阀座版本用于气体。
广泛的阀体材料意味着可以满足特定标准、应用和偏好。
宽比例带意味着如果安全阀需要设置在接近工作压力的位置时需要小心。

直接操作自作用减压阀 — 膜片式

在此类自作用压力控制器中，下游（控制）压力通过膜片与弹簧力平衡。 优点：

非常坚固。
对潮湿和脏蒸汽具有容忍性。
大尺寸可选，因此可实现高流量。
易于设定和调整。
简单的设计意味着易于维护。
自作用原理意味着无需外部动力。
小尺寸能够处理 50:1 的压降，大尺寸能够处理 10:1 的压降。 缺点：
宽比例带意味着在负荷大幅变化时不太可能对下游压力进行精确控制。
购买成本相对较高，但生命周期成本低。
体积较大。 应用：
分配管网。
锅炉房。 注意事项：

由于膜片受到相当低的温度限制，蒸汽应用需要水封。这略微增加了成本。
由于比例带较宽，此类阀更适合将蒸汽压力减至工厂区域而非单个设备。
波纹管密封阀杆确保零维护和零排放。
虽然宽比例带提供了稳定性，但如果安全阀需要设置在接近设备工作压力的位置时需要小心。
适用于液体应用。
比先导操作阀更昂贵，但比气动控制系统便宜。

先导操作自作用减压阀

说明这些阀具有更复杂的自作用设计，通过先导阀感测下游压力来操作，先导阀再操作主阀。效果是非常窄的比例带，通常小于 200 kPa。结合低滞后性，即使在流量大幅变化时也能实现非常精确和可重复的压力控制。 优点：

即使在高和可变流量下也能实现精确和一致的压力控制。
一个主阀可以使用多种先导阀。先导阀选项包括电气超控、多先导阀用于选择不同控制压力、过剩选项和远程控制，以及不同的温度/压力控制组合。
自作用原理意味着无需外部动力。
对变化的上游压力具有容忍性。 缺点：
比波纹管操作的直接控制更昂贵。
小间隙意味着蒸汽必须清洁干燥以确保使用寿命，但可以通过在减压阀前安装过滤器和汽水分离器来实现。 应用：
需要精确和一致压力控制的系统，以及具有可变和中等流量的安装。例如：高压釜、高规格设备如换热器和加热器。
安装空间有限的系统。 注意事项：

****安装必须包括过滤器和汽水分离器。
同尺寸下，先导操作阀比波纹管式自作用控制更昂贵，但比膜片式自作用控制便宜。
同尺寸下，它们的容量比波纹管式自作用控制高，但比膜片式自作用控制低。
可以安装在温度控制阀之前以维持恒定的上游压力，从而稳定控制。
不适用于液体应用。
如果设备受到振动或其他设备造成流量脉冲时，请勿使用。

减压 — 气动

说明这些控制系统可能包括：

P + I + D 功能，以在变化负荷条件下提高精度。
可远程调整的设定值。 优点：
非常精确和灵活。
在阀门系列范围内的阀门尺寸不受限制。
可接受的 50:1 流量可调比（通常用于截止控制阀）。
适用于危险环境。
无需电力供应。
快速操作意味着能很好地响应需求的快速变化。
非常强大的执行能力，能够应对阀门两端的高差压。 缺点：
比自作用控制更昂贵。
比自作用控制更复杂。
不可直接编程。 应用： 需要精确和一致压力控制的系统，以及具有可变和高流量和/或可变或高上游压力的安装。例如：高压釜、高规格设备如大型换热器和加热器。 注意事项：

需要清洁、干燥的空气供应。
需要熟练的劳动力安装设备，需要仪表人员进行校准和调试。
控制是”独立的”，不能与 PLC（可编程逻辑控制器）通信。
故障模式可能很重要。例如，蒸汽系统中气源故障时弹簧关闭是正常的。

减压 — 电气

说明这些控制系统可能包括：

P + I + D 功能，以在变化负荷条件下提高精度。
可远程调整的设定值，可在设定值之间设置斜坡。 优点：
非常精确和灵活。
远程调整和读取。
在阀门系列范围内的阀门尺寸不受限制。
可接受的 50:1 流量可调比（通常用于截止控制阀）。
快速操作 — 对需求变化的快速响应。
非常强大的执行能力，能够应对阀门两端的高差压。 缺点：
比自作用或气动控制更昂贵。
比自作用或气动控制更复杂。
需要电气控制信号。在危险区域成本高昂。 应用： 需要精确和一致压力控制的系统，以及具有可变和高流量和/或可变或高上游压力的安装，包括高压釜、高规格设备如大型换热器和加热器，以及主要设备减压站。 注意事项：

需要清洁、干燥的空气供应。
需要熟练的劳动力安装设备，需要仪表人员进行校准和调试。
可以成为涉及 PLC、记录仪和 SCADA 系统的复杂控制系统的一部分。
始终考虑故障模式，例如，蒸汽系统中气源故障时弹簧关闭是正常的。

减压 — 电动

说明这些控制系统可能包括：

P + I + D 功能，以在变化负荷条件下提高精度。
可远程调整的设定值。 优点：
控制器和阀门执行器都可以与 PLC 通信。
无需压缩空气供应。 缺点：
如果需要弹簧复位执行器，可用的关断压力可能受限。
执行器速度相对较慢，因此仅适用于负荷变化缓慢的应用。 应用：
带有斜坡和保持控制器的慢速开启/预热系统。
大型高压釜的压力控制。
供应大型蒸汽分配系统的减压。 注意事项：

安全性：如果电力中断，除非使用弹簧复位执行器，否则阀门位置不会改变。
弹簧复位执行器价格昂贵且体积庞大，关断能力有限。

减压（其他方案） — 并联减压站

说明减压站可以按如下方式配置，原因有以下两个之一：

阀门服务于停机不可接受的关键应用。设备以”一用一备”方式运行，以应对故障和维护情况。
最大和最小流量之间的可调比非常高。设备以压力顺序原理运行，一个阀门设置在理想的下游压力，另一个设置在略低的压力。当需求最大时，两个阀门同时运行；当流量减少时，设置在较低压力的阀门首先关闭，由第二个阀门进行控制。 注意事项： 为此类应用选择的阀门需要窄比例带（如先导操作减压阀或电气控制系统），以避免在高流量时下游压力下降过多。

减压（其他方案） — 串联减压站

如果上游和下游压力之比非常高，且所选控制系统的可调能力较低，则可以按此方式配置减压站。10:1 被推荐为此类减压阀的实际最大压力比。考虑需要将压力从 25 bar g 降至 1 bar g。主减压阀可将压力从 25 bar g 降至 5 bar g，构成 5:1 的压力比。副减压阀将压力从 5 bar g 降至 1 bar g，同样是 5:1。两个串联阀门提供 25:1 的压力比。检查所选减压阀的允许压力可调比非常重要，自作用阀可能为 10:1，但电动或气动操作阀可能更高。请注意，高压降可能倾向于产生高噪音水平。有关更多详情，请参阅模块 6.4。两个减压阀之间的疏水点（图 8.1.8）是为了防止在无负荷条件下冷凝水积聚。如果不安装此疏水阀，辐射热损失将导致冷凝水充满连接管，在下次负荷增加时可能引起水锤。

减温器

减温是将过热蒸汽恢复到饱和状态或降低其过热温度的过程。减温器的进一步内容在第 15 模块中介绍。图 8.1.9 中的系统展示了一个带有直接接触式管路减温器的减压站布置。在其基本形式中，优质水（通常为冷凝水）被引导到过热蒸汽流中，从蒸汽中去除热量，导致蒸汽温度下降。

将蒸汽温度降至其饱和值是不切实际的，因为控制系统无法区分相同温度下的饱和蒸汽和湿蒸汽。

因此，温度始终控制在高于相应饱和温度的值，通常在饱和温度以上 5°C 至 10°C。对于大多数应用，如图 8.1.9 所示的基本系统将运行良好。由于下游压力由压力控制回路维持在恒定值，温度控制器上的设定值不需要变化；只需设定在相应饱和温度略高的温度即可。然而，有时需要更复杂的控制系统，如图 8.1.10 所示。如果过热蒸汽供应压力发生瞬态变化，或供水温度发生变化，则所需的水/蒸汽流量比也需要变化。如果下游压力发生变化（某些工业工艺有时会出现这种情况），也需要改变水/蒸汽流量比。图 8.1.10 所示的系统通过将压力控制器设置在所需的下游压力并相应地操作蒸汽压力控制阀来工作。来自压力变送器的 4-20 mA 信号被传递到压力控制器和饱和温度计算机，计算机持续计算下游压力的饱和温度，并向温度控制器发送与此温度相关的 4-20 mA 输出信号。温度控制器配置为接受来自计算机的 4-20 mA 信号，以将其设定值确定在饱和温度以上 5°C 至 10°C。这样，如果由于上述任何原因下游压力发生变化，温度设定值也将自动变化。这将在所有负荷或下游压力条件下维持正确的水/蒸汽比。

通过控制压力来控制温度

说明这些是利用饱和蒸汽压力与其温度之间可预测关系的应用。 优点：

压力传感器可以安装在蒸汽空间中或靠近控制阀的位置，而非工艺介质本身中。在难以测量工艺温度的情况下，这是一个优势。
此布置可用于从单一点控制多个不同的元件。 缺点：
控制是”开环的”，因为传感器不是在测量实际产品温度。 应用：
高压釜和灭菌器
压机和压光机
恒压设备，例如夹套锅、单元加热器和蒸汽夹套管。 注意事项：
良好的排气至关重要（更多详情请参阅模块 11.12）

差压控制

说明在这些应用中，控制阀将打开和关闭以维持两点之间的设定差压。 优点：

系统中维持恒定的蒸汽差压。
差压确保冷凝水从换热系统中被积极排出。这在累积的冷凝水可能充当热障并在传热面上产生温度梯度的情况下尤为重要。此温度梯度可能导致产品加热不均匀或质量不佳。
可以实现不同的运行温度。 缺点：
如果要维持效率，需要一个复杂的系统。这可能涉及闪蒸罐和/或热压缩机，以及使用较低压力旁通蒸汽的下游应用。 应用：
造纸厂中的吹通干燥辊。 注意事项： ****需要特殊控制器或差压变送器来接受两个输入；一个来自主蒸汽供应，另一个来自闪蒸罐。这样，在所有负荷条件下，闪蒸罐和主蒸汽供应之间的压差得以维持。

过剩控制

说明目标是维持控制阀上游的压力。过剩阀在模块 7.3”自作用压力控制和应用”中有更详细的讨论。 应用：

负荷可能在短时间内大幅变化的工厂锅炉。锅炉压力的突然降低可能导致湍流增加和锅炉水快速闪蒸，大量水被携带进入管道系统。
蓄热器，其中剩余的锅炉输出用于在压力下加热水体。当锅炉容量不足时，释放此储存的能量。 注意事项：

全开控制阀通常需要最小压降；这可能需要一个”管线尺寸”的阀门。
并非所有自作用控制都适合此应用，使用前务必咨询制造商。

级联控制 — 用一个阀门限制压力和温度

说明在需要使用一个阀门控制两个变量的情况下，必须采用两个独立的控制器和传感器。控制阀总是接受来自从控制器的控制信号。从控制器配置为接受两个输入信号，其设定值将根据主控制器的电气输出信号（在定义的限制范围内）发生变化。当尽管有热需求但设备压力必须被限制时，这种控制形式非常重要。 应用： 图 8.1.19 所示的蒸汽加热板式换热器正在加热在二次系统中循环的水。换热器具有最大工作压力，因此在从控制器中限制到该值。为了控制二次侧水温，主控制器和温度变送器监测换热器流出温度，并向从控制器发送 4-20 mA 信号，用于在预定限制之间改变从控制器设定值。 注意事项：

安全阀设定压力与控制器施加的压力限制之间必须存在足够的压力余量。
不应将安全阀用作限制换热器压力的装置；它只能用作安全装置。

级联控制 — 用一个阀门组合减压和过剩

说明目标是降低蒸汽压力，但不能以过载可用供应能力为代价。 应用： 上游管道是高压分配管，可能来自分配集管或蒸汽锅炉，供应非关键性质的设备（图 8.1.20）。如果需求高于供应能力，阀门关闭并节制蒸汽流量，维持上游管道中的压力。主控制器设置在正常预期的供应压力。如果主控制器检测到上游压力降至其设定值以下（由于需求增加），它将按预定限制的比例降低从控制器的设定值。从控制器关闭阀门，直到蒸汽需求下降使上游压力恢复到所需值。当达到此条件时，从控制器的设定值恢复到其原始值。 典型设定值 主控制器的输出是正作用的，即当上游压力在其比例带内或以上时，主控制器的输出信号最大为 20 mA；当在比例带底部以下时，控制信号最小为 4 mA。当控制信号为 20 mA 时，从控制器设定值为所需的下游压力；当信号为 4 mA 时，从控制器设定值为预定的最小值。假设”正常”上游压力为 10 bar g，最大允许下游压力为 5 bar g。最小允许上游压力为 8.5 bar g，这意味着如果达到此压力，阀门完全关闭。最小减压设定为 4.6 bar g。这些条件记录在表 8.1.1 中。

级联控制 — 用一个阀门限制和控制温度

说明主要目标是限制和调节特定工艺的温度，其中蒸汽是可用的热源，但由于操作原因不能直接用于加热最终产品。 应用： 一个典型应用是乳制品奶油巴氏杀菌器，需要 50°C 的巴氏杀菌温度。由于控制温度较低，如果蒸汽直接应用于巴氏杀菌换热器，蒸汽中相对大量的热量可能使控制困难，导致系统温度振荡，过热并损坏奶油。为克服此问题，图 8.1.21 中的系统显示了两个换热器。巴氏杀菌器由一次侧蒸汽加热换热器供应的热水加热。然而，即使有此布置，如果仅由主控制器操作阀门，系统中将引入时滞，控制效果可能再次不佳。因此使用两个控制器，以级联方式工作，每个控制器从各自的温度变送器接收 4-20 mA 信号。从控制器用于在明确定义的限制内控制产品的最终温度（可能在 49°C 和 51°C 之间）。这些值由主控制器根据产品温度进行修改，使得如果产品温度升高，从控制器设定值按比例降低。